ТВЕРДЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ С ЦЕЗИЙ-КАТИОННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ Российский патент 2005 года по МПК H01M6/18 H01M8/10 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердым электролитам с проводимостью по катионам цезия, и может применяться в различных электротехнических устройствах, использующих в качестве рабочего вещества цезий или его сплавы.

В литературе имеются сведения о ряде цезийпроводящих твердых электролитов и наиболее известен электролит, содержащий оксид железа (III), диоксид титана и оксид цезия в соотношении:

Fe₂O₃ - 15-50 мол.%;

TiO₂ - 5-30 мол. %;

Cs₂O - остальное,

однако их электрические характеристики в области средних и высоких температур (ρ≈16,5-34,6 Ом*см при 700°С и ρ≈=36,3-135 Ом*см при 400°С) недостаточно высоки (авт. свидетельство СССР №1333167, кл. Н 01 М 6/18, 1984).

Наиболее близким по составу к предлагаемому в настоящем изобретении является твердый электролит с цезий-катионной проводимостью, изготовленный из ортофосфата цезия, однако известный электролит имеет высокое удельное электросопротивление: 14,1 Ом*см при 700°С и 562 Ом*см при 400°С (//Электрохимия. 2001. Т.37. С.1005-1007), что не позволяет использовать его в электрохимических устройствах, предусматривающих прохождение значительных по величине токов (электролизеры, химические источники тока).

Задачей настоящего изобретения является разработка твердого цезиевого электролита с более низкими значениями удельного электросопротивления.

Поставленная задача достигается тем, что в твердый электролит с цезий-катионной проводимостью, содержащий ортофосфат цезия, вводят добавку ортофосфата двухзарядного металла М₃(РO₄)₂(М=Ва, Sr, Ca, Mg, Pb, Cd и Zn) при следующем соотношении компонентов, мол. %:

ортофосфат цезия98,3-92,9ортофосфат двухзарядного металла1,7-7,5

(введение как меньшего, так и большего количества добавки ухудшает электрические характеристики). В этом случае твердый электролит имеет состав Сs_3-2хМ_хРO₄, где М - двухзарядный катион.

Новым в данном изобретении является введение ортофосфатов двухвалентных металлов в количестве ˜ 1,7-7,1 мол. %.

Предлагаемый электролит может быть получен непосредственно спеканием смесей ортофосфатов цезия и двухвалентного металла или спеканием смесей дигидроортофосфата аммония и оксидов или разлагающихся при нагревании солей (карбонатов, нитратов и т.д.) цезия и двухвалентных металлов, взятых в расчетных соотношениях.

Пример. Приготовили смесь, состоящую из 75,25% Cs₃PO₄, 5,06%-ВаСО₃ и 19,69% - NH₄H₂PO₄, спекали до прекращения выделения летучих продуктов реакции, вновь измельчали и затем прокаливали при 800°С. Полученный порошок 94,4 Сs₃РO₄ - 5,6 Ва₃(РO₄)₂ (Cs_2,7Ba_0,15РO₄) прессовали в бруски и спекали в засыпке этого же состава при 1000°С. Удельное электросопротивление при 400°С - 20,0 Ом х см, при 700°С - 7,10 Ом х см.

Ниже в таблице приведены значения удельного сопротивления ряда составов предлагаемых электролитов в сравнении с характеристиками прототипа (Сs₃РO₄).

Удельное сопротивление твердых электролитов на основе ортофосфата цезия с добавкой двухвалентного металла в сравнении с сопротивлением твердых электролитов аналогов и протoтипа.

№Cs₃PO₄-M₃(PO₄)₂
(M=Ba, Sr, Ca, Mg, Pb, Cd, Zn)ρ, Oм × см при t°C4005006007001.Cs₃PO₄562,3100,017,014,12.94,4 Cs₃PO₄ - 5,6 Ba₃(PO₄)₂Cs_2,7Ba_0,15PO₄20,012,99,57,13.94,4 Cs₃PO₄ - 5,6 Sr₃(PO₄)₂Cs_2,7Sr_0,15PO₄39,818,214,110,04.94,4 Cs₃PO₄ - 5,6 Ca₃(PO₄)₂Cs_2,7Ca_0,15PO₄32,420,013,59,85.98,3 Cs₃PO₄ - 1,7 Mg₃(PO₄)₂Cs_2,9Mg_0,05PO₄50,122,415,111,26.92,9 Cs₃PO₄ - 7,1 Pb₃(PO₄)₂Cs_2,6Pb_0,2PO₄1672,114,39,16,57.92,9 Cs₃PO₄ - 7,1 Cd₃(PO₄)₂Cs_2,6Cd_0,2PO₄38,520,011,87,58.92,9 Cs₃PO₄ - 7,1 Zn₃(PO₄)₂Cs_2,6Zn_0,2PO₄81,831,318,010,8

Как видно из таблицы, такие твердые электролиты имеют существенно более низкие значения удельного сопротивления в области средних и высоких температур по сравнению с прототипом.

Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить удельное электросопротивление цезиевых электролитов и тем самым повысить эффективность работы электротехнических устройств, в которых они используются, в области средних и высоких температур.

Предлагаемые электролиты могут использоваться в качестве твердого электролита в различных электротехнических устройствах, использующих в качестве рабочего вещества цезий или его сплавы (диафрагмы для разделения катодного и анодного пространств при электролизе расплавов галогенидов цезия с целью получения цезиевых сплавов, ионные и ионно-плазменные двигатели, термоэмиссионные генераторы, датчики активности цезия в различных жидких и газовых средах, системы очистки от цезия расплавленных щелочных металлов, в частности, для регенерации расплава натрия, используемого в качестве теплоносителя в контуре реакторов на атомных электростанциях и др.).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных электротехнических устройствах с твердым электролитом с цезий-катионной проводимостью на основе ортофосфата цезия. Согласно изобретению электролит содержит ортофосфат цезия и дополнительно ортофосфат двухвалентного металла: Ва, Sr, Ca, Mg, PI, Cd, Zn и отвечает общей формуле Cs_3-2xM_xPO₄, где М - двухвалентный металл. 1 табл.

1. Твердый электролит с цезий-катионной проводимостью для электротехнических устройств, содержащий ортофосфат цезия, отличающийся тем, что дополнительно содержит ортофосфат двухвалентного металла при следующем соотношении компонентов, моль.%:

Ортофосфат цезия92,9-98,3Ортофосфат двухвалентного металла1,7-7,1